한국형 전기차 배터리의 핵심 축인 하이니켈 양극에서 성능 저하가 빠르게 진행되는 근본 원인이 규명됐습니다. KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 신소재공학과 서동화 교수 연구팀과 공동으로, 그동안 배터리의 안정성과 수명 향상을 위해 널리 쓰여 온 전해질 첨가제 석시노니트릴(CN4) 이 하이니켈 계열에서는 오히려 성능 열화를 유발하는 핵심 원인임을 세계 최초로 밝혀냈다고 3일 밝혔습니다.

연구팀은 컴퓨터 양자계산과 다중 분광·전기화학 분석을 통해, 두 개의 니트릴(-CN) 구조를 지닌 CN4 분자가 하이니켈 양극 표면의 니켈 이온과 과도하게 강한 배위결합을 형성한다는 사실을 확인했습니다. 이 강한 결합은 충·방전 과정에서 보호막 역할을 해야 할 전기이중층(EDL) 을 붕괴시키고, 양극 격자 내 얀-텔러(Jahn-Teller) 왜곡을 유발해 구조적 불안정을 키웁니다. 더 나아가 CN4가 양극에서 전자를 빼앗는 전자 포획자로 작동해 활성 물질의 환원·산화 균형을 무너뜨리며, 용출된 니켈 이온은 전해질을 타고 음극 표면에 축적되어 부반응 촉매처럼 작용, 전해질 분해와 리튬 소모를 가속화하는 것으로 드러났습니다.

분석 결과는 하이니켈 양극 표면이 니켈 결핍층과 암염(rock-salt)상으로 변질되는 비정상 구조 전이도 동반함을 보여줬습니다. 반면 코발트가 주성분인 LCO(리튬코발트산화물) 계열에서는 동일한 첨가제가 안정화에 기여하는 사례가 보고돼 온 만큼, CN4의 '양면성' 이 재료계에 따라 정반대의 결과를 낳는다는 점이 실험과 이론으로 정식 입증됐습니다.

이번 성과는 단순히 충·방전 조건의 조정 차원을 넘어, 금속 이온-전해질 분자 사이의 전자 이동과 표면 화학이 열화의 시발점이 될 수 있음을 분자·원자 수준에서 제시했다는 데 의미가 있습니다. 연구진은 하이니켈 계열에 특화된 저배위성(저결합 세기)·저흡착성 전해질 첨가제를 설계·검증하는 후속 연구에 착수했으며, 니켈과의 불필요한 강결합을 유발하지 않는 분자 골격을 통해 수명과 안전성을 동시에 끌어올리는 방안을 제시할 계획입니다.

최남순 교수는 "배터리 수명과 안전성을 높이려면 전극-전해질 계면에서 벌어지는 미시적 상호작용에 대한 정밀 이해가 필수"라며 "이번 규명이 니켈과 과도하게 결합하지 않는 차세대 첨가제 개발로 이어져 고용량 하이니켈 배터리의 상용화에 기여할 것으로 기대한다"고 밝혔습니다.

이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 최남순 교수, 신소재공학과 서동화 교수가 공동 교신을 맡고, 한승희·김준영·이기훈·김재승 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 국제 학술지 ACS Energy Letters에 11월 14일 온라인 게재되어 커버 논문으로 선정됐습니다.

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